Klimawandel - naturwissenschaftliche Grundlagen

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Cartoon-Homo_sapiens_syndrom.jpg, 04.10.2019

https://www.deutschlandfunk.de/baumsterben-der-hitzestress-trifft-ein-ohnehin.697.de.html?dram:article_id=454681, 04.10.2019
Thüringer Ministerium für Umwelt, Energie und
Naturschutz: Fakten zur Klimaveränderung in
Thüringen, 2017

Klimawandel
Kurzer Einblick in den aktuellen Wissensstand
Ralf Carl
Dipl.-Biochem.
Ortsgruppe Jena
AG Bildung

Klimawandel
1. Historische Klimaveränderungen
1.1 Klimaschwankungen der Erde
1.2 Ursachen der Klimaschwankungen
2. Zukunftsprojektionen
2.1 RCP-Szenarien
2.2 Szenarien des IPCC-Berichts 2018
2.3 Projizierte Folgen des Klimawandels
3. Emissionspfade und CO2-Budget
4. Schlussfolgerungen

Quelle: NASA

Hans Häckel: Meteorologie, 8. Auflage 2016
DurchschnittstemperaturNordhalbkugelin°C

• Begriff Albedo

• Begriff Albedo
Albedo: helle Flächen (hohe Albedo) reflektieren mehr Strahlung als dunkle
Sonnenaktivität,
Abstand Erde - Sonne
Trübung der Atmosphäre
Albedo
Konzentration an
Treibhausgasen
Wärmespeicherung
an Erdoberfläche

1.2.1 Astronomische Ursachen
https://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenaktivit%C3%A4t, 27.09.2019

• Neigung der Erdachse Exzentrizität der Erdumlaufbahn
• Präzessionsbewegungen der Erde um die Sonne
Zyklus: 40 000 Jahre
gestrichelt: derzeitige Bahn
Erdbahn in Eiszeit

Einfluss der Milankovic-Zyklen
• Begriff Albedo
Abstand Erde - Sonne
Albedo
Wärmespeicherung
an Erdoberfläche

• Schätzung der Temperatur der Erde nach den Milankovic-Zyklen

1.2.2 Geologische Ursachen
https://de.wikipedia.org/wiki/Eisdrift, 27.09.2019

Einfluss der Plattenverschiebung
• Begriff Albedo
Albedo

1.2.3 Atmosphärische Ursachen
• Vulkane, Aerosole
wetter.de, 27.09.2019

Einfluss der Vulkanaktivität
• Begriff Albedo
Trübung der Atmosphäre

1.2.3 Atmosphärische Ursachen
• Treibhauseffekt:
https://www.bpb.de/cache/images/0/38430-3x2-original.jpg?9A359, 27.09.2019

Molekulare Erklärung des Treibhauseffektes
https://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Treibhauseffekt, https://pixabay.com/de/illustrations/kohlendioxid-co2-molek%C3%BCl-vibrationen-1431791/ 27.09.2019
Wasser
Kohlendioxid
Ozon
Lachgas
Methan

1.2.4 Anthropogener Einfluss
https://techcrunch.com/wp-content/uploads/2019/05/Screen-Shot-2019-05-12-at-3.23.36-PM.png, 27.09.2019

• Herkunft von Kohlendioxid in Deutschland (2017):
• 39 % Energiebereitstellung (v.a. Kohlekraftwerke)
• 23 % Industrieprozesse (Stahlproduktion, Raffinerien, Zement…)
• 21 % Verkehr (v.a. Individualverkehr)
• 16 % Gebäude (Haushalte, Gewerbe)
• 1 % Landwirtschaft
Quelle: https://www.mdr.de/wissen/deutschland-top-fuenf-klima-emissionen-100.html, 04.10.2019

• Herkunft weiterer Treibhausgase:
• Methan: Landwirtschaft (v.a. Tierhaltung)
• Lachgas: Landwirtschaft (Düngung), Verkehr
→ CO2, CH4, N2O u.a. oft zusammengefasst zu CO2-Äquivalenten

Zusammenfassung: Einflussfaktoren auf Temperatur der Erde
Faktor Ursache für derzeitige Erwärmung
Plattentektonik nein, wirkt über Jahrmillionen
Milankovic-Zyklen nein, wirkt über Jahrtausende, derzeit
eher Trend zur Abkühlung
Sonnenaktivität nein, derzeit keine bedeutenden
Schwankungen
Vulkane nein, derzeit keine bedeutenden
Schwankungen
Treibhauseffekt ja, durch anthropogen freigesetzte
Treibhausgase

2.1 RCP-Szenarien
Quelle: AR5 (IPCC 2014)

2.1 RCP-Szenarien
https://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/2-Grad-Ziel

2.1 RCP-Szenarien
https://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/2-Grad-Ziel
RCP8.5
RCP2.6

2.2 Szenarien aus dem IPCC-Bericht 2018
Quelle: IPCC-Sonderbericht 2018

2.3 Projizierte Folgen des Klimawandels
https://www.t-online.de/nachrichten/klimawandel/id_65338412/klimawandel-verstaerkt-extremes-wetter.html, https://ze.tt/klimawandel-interaktive-bilder-zeigen-wie-stark-der-meeresspiegel-steigt/, https://www.swr.de/wissen/1000-
antworten/umwelt-und-natur/Hornisse, 01.10.2019

2.3.1 Folgen für Wetter und Meeresspiegel

Globale Erwärmung 2100 + 1,5 °C + 2 °C
Extrem heiße Tage
(mittlere Breiten)
+ 3 °C + 4 °C
Starkniederschlag (hohe
Breiten, Ost-Nordamerika,
Ostasien)
geringeres Risiko höheres Risiko
Starkniederschlag durch
Tropenstürme
geringeres Risiko höheres Risiko
Meeresspiegel 2100 + 0,26 m
bis + 0,77 m
+ 0,30 m bis + 0,93 m
→ Umsiedlung von 10 Mio Menschen
mehr als bei 1,5 °C

Quelle: SROCC (IPCC 2019)
RCP8.5
RCP2.6

https://ss2.climatecentral.org, 01.10.2019
RCP2.6: 2300
RCP8.5: 2100

https://ss2.climatecentral.org, 01.10.2019
RCP2.6: wahrscheinlich nicht
RCP8.5: nach 2300, außer Grönlandeis schmilzt früher ab

www.klimafolgenonline.com

RCP8.5

Exkurs: Jetstream – Entstehung 1
https://img.posterlounge.de/img/products/450000/444228/444228_poster_l.jpg, 03.08.2019
Sonne
Warm
Kalt
T
H
kalte Luft sinkt ab → hoher Druck am Boden
warme Luft steigt auf → tiefer Druck am Boden
weiß: Polarfront
T
H

https://de.wikipedia.org/wiki/Jetstream, 03.08.2019; Hans Häckel: Meteorologie, 6. Auflage 2008
→ Druckausgleich vom tropischen Höhenhoch zum polaren Höhentief + Coriolis-Ablenkung
→ horizontale und vertikale Konzentrierung der Winde an Polarfront
→ Resultat: erdumspannendes, schmales Windband in 10 km Höhe um 45. Breitengrad
→ Windgeschwindigkeiten von tw. über 500 km/h
Exkurs: Jetstream – Entstehung 2

Exkurs: Jetstream – Rossby-Wellen
https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2019/01/Rossby-waves.png, https://www.zdf.de/assets/wetter-hitzerekord-102~2400x1350?cb=1561731166886, 3.08.2019
Verlagerung der Wellen

Exkurs: Jetstream – 7-Wellen-Muster
Figure 3 from Extreme weather events in early summer 2018 connected by a recurrent hemispheric wave-7 pattern, Kai Kornhuber et al 2019 Environ. Res. Lett. 14 054002 doi:10.1088/1748-9326/ab13bf
-7-Wellen-Muster relativ stabil (Resonanz!)
-bedingt durch Meer-Land-Verteilung
-Hitze sehr wahrscheinlich: West-Europa, Zentral-USA, Kaspische Region

Klimawandel und Wetterextreme
• Beobachtete Veränderungen:
• Rossby-Wellen werden größer und stabiler
• Wellenverlagerung nach Osten langsamer, teilweise Stillstand!
(„phase-locked events“) → 7-Wellen vor 1999 nie ≥ 2 Wochen!!!
• Ursachen:
• Arktis wärmer→ Polar-Höhentief schwächer → Jetstream schwächer
• Temperaturgradient Land – Meer höher → größere Rossby-Wellen
• Folgen:
• Extremwetterereignisse wahrscheinlicher, intensiver und länger
• Bsp.: Hitzewellen 2003, 2006, 2012, 2015, 2018

Arten, die mehr als die
Hälfte ihres geografischen
Verbreitungsgebiet verlieren
Insekten: 6 %
Pflanzen: 8 %
Wirbeltiere: 4 %
Insekten: 18 %
Pflanzen: 16 %
Wirbeltiere: 8 %
Ökosystem-Transformation 7 % der Landfläche 13 % der Landfläche
besonders bedroht:
Tundra, borealer Nadelwald
Meereisfreie Sommer
(Arktis) pro 100 Jahre
1 10
Verlust Korallenriffe 70-90 % 99 %
2.3.2 Auswirkungen auf Ökologie und Biodiversität

Vom Aussterben bedrohte Arten
• Schätzung insgesamt: 1 Mio Arten (25 %) vom Aussterben bedroht
IPBES: Global Assessment Report 2019

Artensterben und Klimawandel
• Bedeutung des Klimawandels steigt
• Verlagerung, Schrumpfen der
Verbreitungsgebiete
• 2 °C Erwärmung:
Verlust von 99 % der Korallenriffe
Living Planet Report 2018

2.3.3 Auswirkungen auf Wirtschaft und Gesellschaft

-Ernährungssicherheit (hohes Risiko):
-Ertragsrückgang in Kombination mit steigendem Bedarf (Weltbevölkerung!)
-Ernteausfälle durch Extremwetterereignisse
-Wasserversorgung (hohes Risiko):
-v.a. verringerter Zugang zu Wasser für arme Menschen
-Grundwasserressourcen in meisten trockenen, subtropischen Regionen verringert
→steigender Wettbewerb um Wasser
-Mittelmeerraum trocknet aus
-Fischerei (mittleres bis hohes Risiko):
-Rückgang der Erträge
-Medizin (hohes Risiko):
-steigende Erkrankungsrate und Todesfälle durch Dehydrierung, Hitzschlag,
Hitzeerschöpfung usw.
-Ausbreitung von Infektionskrankheiten
https://de.wikipedia.org/wiki/Asiatische_Tigerm%C3%BCcke, 03.10.2019Quelle: AR5 (IPCC 2014), Risiko-Angaben für 4° -Erwärmung

Weltweiter Meeresfisch-
Ertrag pro Jahr
-1,5 Mio t -3 Mio t
Menschen, die
zunehmendem Wasserstress
ausgesetzt sind
? doppelt so viel wie bei 1,5 °C
Kleine Inseln und wenig
entwickelte Länder
„hohe vielfach
ineinandergreifende
Klimarisiken“
„hohe vielfach
ineinandergreifende
Klimarisiken“

• Klimawandel als Fluchtursache:
• Extremwetterereignisse
• Meeresspiegel
• Ernterückgang
• Wasserstress
• Verstärkung des Kontrastes Arm-Reich
• Begünstigung der Entstehung gewaltsamer Konflikte

2.3.4 Zusammenfassender Vergleich der Gefahren
Quelle: IPCC-Sonderbicht 2018

2.3.5 Positive Rückkopplung und Kipppunkte
• Bsp. Jetstream

• Bsp. Eis-Albedo-Effekt
https://p5.focus.de/img/fotos/origs8539558/1132324573-w630-h420-o-q75-p5/gettyimages-533439864.jpg, 02.10.2019

• Bsp. Feuer
https://de.wikipedia.org/wiki/Waldbrand, 02.10.2019

• Bsp. Permafrost
https://polarpedia.eu/de/permafrost-4/, 02.10.2019

Gefahr: „Galoppierender“ Klimawandel
Eis-Albedo-Effekt
Gase aus Permafrost
CO2 aus Feuer
Jetstream-Wellen

Eis-Albedo-Effekt
Gase aus Permafrost
CO2 aus Feuer
Jetstream-Wellen Ruß
weniger
Eis
Hitzewellen in Gebieten mit
Permafrost

Eis-Albedo-Effekt
Gase aus Permafrost
CO2 aus Feuer
weniger
Eis
Permafrost
Degradation
Amazonas-
Regenwald
Freisetzung
Methanhydrate
aus Tiefsee
3-5 °C?
3-5 °C?
5 °C?
????
2-3 °C?
3-5 °C?Steffen, W. et al: Trajectories of the Earth System in
the Anthropocene, 2018

Eis-Albedo-Effekt
Gase aus Permafrost
CO2 aus Feuer
weniger
Eis
Permafrost
Degradation
Amazonas-
Regenwald
Freisetzung
Methanhydrate
aus Tiefsee
3-5 °C?
3-5 °C?
5 °C?
????
2-3 °C?
3-5 °C?Steffen, W. et al: Trajectories of the Earth System in
the Anthropocene, 2018
Auslösung bei +2 °C möglich, bei
1,5 °C nicht auszuschließen!!!
(Steffen et al, 2018)

Steffen, W. et al: Trajectories of the Earth System in the Anthropocene, 2018

3. Emissionspfade und CO2-Budget
rot: XR-Forderung

Klassifizierung der Pfade
Pfad P1 P2 P3 P4
CO2-Emission 2030 vs. 2010 -58 % -47 % -41 % +4 %
CO2-Emission 2050 vs. 2010 -93 % -95 % -91 % -97 %
Energiebedarf 2050 vs. 2010 -32 % +2 % +21 % +44 %
Primärenergie aus Kohle 2030 vs. 2010 -78 % -61 % -75 % -59 %
Primärenergie aus Kohle 2050 vs. 2010 -97 % -77 % -73 % -97 %
Kernenergie 2050 vs. 2010 +150 % + 98 % +501 % +468 %
Kumulatives CCS (Gt CO2) 2100 0 348 687 1218

CO2-Budget
• bereits 2200 Gt CO2-Budget aufgebraucht (Stand: 2017)
• 66 % unter 1,5 °C Erwärmung: noch 420 Gt CO2-Budget (2017!)
• derzeitige Emmisionen: 42 Gt pro Jahr
• Methanfreisetzung aus Permafrost u. Feuchtgebieten:
• Reduktion des Budgets um bis zu 100 Gt in diesem Jahrhundert!!!
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
CO2-Budget in Gt
CO2-Budget (2019)
aufgebraucht jährlicher Verbrauch noch vorhanden

Weitere Einschätzungen des IPCC…
• Schätzungen nach festgelegten Zielen (Pariser Abkommen):
• Jahr 2030: 52-58 Gt CO2-Emission/Jahr
→keine Begrenzung auf 1,5 °C mehr möglich
→dann eher +3 °C
• mehr als 0,2 °C Überschreitung des 1,5 °C-Ziel:
• hohes Ausmaß an CO2-Entnahme-Techniken nötig
• Begrenzung auf 1,5 °C bis 2100 eher nicht mehr erreichbar

Exkurs: Synergien und Zielkonflikte
• Anpassungen könnten Synergien erzeugen, z.B. mit:
• Gewährleistung von Ernährungssicherheit
• Aufrechterhaltung der Ökosysteme
• Verringerung von Armut und Ungleichheit
• aber auch Zielkonflikte möglich!
• Pfade mit besten Synergien u. wenigsten Zielkonflikten:
• geringer Energiebedarf
• geringer Konsum treibhausgasintensiver Lebensmittel
• geringe Abhängigkeit von C-Entnahme-Techniken

Was passieren müsste…
• schnelle, umfangreiche, einschneidende Transformation der Bereiche:
• Energieversorgung (u.a. sofortiger Stopp der Kohleverstromung)
• Verkehr
• Landwirtschaft/Ernährung
• Gesellschaft
• Konsum
• angemessene (!) CO2-Bepreisung (180 €/t laut Umweltbundesamt)
• Renaturierung von Ökosystemen und Aufforstung
• Lokale Anpassung an Klimawandelfolgen
• Anerkennung Klimawandel als Thema höchster Priorität und Dringlichkeit
• Globale Zusammenarbeit zur wirksamen Lösung des Problems
• Intelligente Strategien zum Stopp des globalen Bevölkerungswachstums

Die Realität…
• globale Emissionen steigen weiter
• Regenwälder werden weiter gerodet
• Nationale und kurzfristige Denkmuster
• deutsches „Klimapäckchen“ September 2019:
„Wasch mir den Pelz, aber mach mich nicht nass“
• CO2-Steuer gestuft 10 – 30 €/t
• Ausbau der Infrastruktur für Elektroautos
• Bahntickets rund 10 % billiger
• Pendlerpauschale erhöht!!!
• unzureichende Regelungen im Sektor Landwirtschaft
• Einschränkung des Ausbaus von Windkraftanlagen
• Kohleausstieg 2038!!!
→ Überschreitung des CO2-Budgets für Deutschland um mindestens 70 %

zum Nachlesen…
• leicht verständliche Informationen:
• Internetseiten des PIK Potsdam
• Internetseiten des Umweltbundesamts
• IPCC-Berichte:
• Fünfter Sachstandsbericht (2014)
• Sonderbericht über 1,5 °C globale Erwärmung (2018)
• Sonderbericht über Ozean und Kryosphäre (2019)
• Allgemeines zu Wetter, Strahlungsbilanz und Klimaveränderung:
• Hans Häckel: Meteorologie, 8. Auflage (2016)
• Jetstream:
• Kornhuber et al: Extreme weather events in early summer 2018 connected by a
recurrent hemispheric wave-7 pattern
• Zustand Biodiversität:
• Das „Globale Assessment“ des Weltbiodiversitätsrates IPBES (2019)
• Living Planet Report des WWF (2018)
• Kipppunkte:
• Steffen, W. et al: Trajectories of the Earth System in the Anthropocene, 2018

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